火花塞用绝缘子的制造方法与流程

本发明涉及以氧化铝烧结体作为基材的火花塞用绝缘子的制造方法。

背景技术：

内燃机的火花塞用绝缘子主要由高耐电压陶瓷绝缘材料构成。以往，陶瓷绝缘材料通过将氧化铝粉末压紧成所期望的成形形状后，在氧化铝被烧结的条件下保持1～2小时左右而得到。作为现有技术，有专利文献1，作为向绝缘材料中添加的烧结助剂添加周期表第2族成分及稀土类成分。通过调整各成分的含有率，实现了高耐电压。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-175381号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

专利文献1的绝缘材料的组成主要是结晶相、玻璃相、形成于结晶相与玻璃相的界面的中间相。然而，该绝缘材料的组成被限定于极其有限的范围内。具体而言，绝缘材料的结晶相的粒径、玻璃相与结晶相的面积比、中间相的厚度受到限定。即，需要高度地控制原料的配合和制造工序。但是，通过该原料的配合或制造工序的控制，绝缘材料的烧结变得难以进行。为了使绝缘材料的烧结进行而需要长时间烧结，但这样一来担心生产率的降低。

本发明是鉴于所述课题而进行的，想要提供使耐电压特性提高、且能够实现高的生产率的火花塞用绝缘子的制造方法。在该制造方法中，不需要高度地控制原料的配合或制造工序，此外，也不需要长时间的烧结。

用于解决课题的手段

本发明的一方式在于一种火花塞用绝缘子的制造方法，其具有以下工序：将包含平均粒径为2μm～5μm的氧化铝原料粉末和成形助剂的成形原料制成氧化铝成形体的成形工序；和将该氧化铝成形体进行烧结而制成成为火花塞用绝缘子的氧化铝烧结体的烧结工序，在上述烧结工序中，将上述氧化铝成形体搬入具备通过加热机构被加热至700℃～1600℃的加热区段的连续炉中，向该连续炉中导入氧气，将上述加热区段内控制为氧浓度超过20摩尔％的高氧气氛。

发明效果

在上述火花塞用绝缘子的制造方法中，通过在连续炉的加热区段中导入氧气，进行20摩尔％以上的高氧气氛下的烧结。氧化铝烧结体在烧结过程中，在相邻的氧化铝粒子彼此边收缩边结合时，气氛气体被关入粒子间的间隙中。判明其中的氧气在1200℃以上的高温下透过氧化铝粒子而被放出。因此，提高气氛气体中的氧浓度，在烧结时使处于氧化铝粒子内的大量的氧放出。由此使粒子间的间隙更小，能够促进氧化铝的烧结。

因此，使用平均粒径较大的氧化铝原料粉末，能够以短时间实现高的烧结密度。此外，不需要在原料粉末中添加烧结助剂，不需要高度地控制原料配合或烧结工序。因此，在工业上是有利的，能够以良好的生产率制造具有高耐电压特性的火花塞用绝缘子。

如上所述，根据上述方式，能够提供不用添加烧结助剂、不需要长时间的烧结、使耐电压特性提高、且能够实现高的生产率的火花塞用绝缘子的制造方法。

附图说明

图1是实施方式1中的火花塞用绝缘子的制造工序图。

图2是表示实施方式1中的具备火花塞用绝缘子的火花塞的整体结构的局部截面图。

图3是表示实施方式1中的火花塞用绝缘子的烧结工序中使用的连续炉的详细构成例的整体截面图。

图4是表示实施例中的氧浓度与耐电压特性的关系的图。

图5是表示实施例中的烧结时间与烧结密度的关系的图。

图6是表示实施例中的氧流量与烧结密度的关系的图。

具体实施方式

(实施方式1)

对于火花塞用绝缘子的制造方法所述的实施方式1，通过图1～图3进行说明。如图1中所示的那样，火花塞用绝缘子1是以氧化铝烧结体12作为基材的规定形状的电绝缘体。将成形工序(a)中成形的氧化铝成形体11通过烧结工序(b)进行烧结，制成氧化铝烧结体12。在烧结工序(b)中，使用具有加热区段的连续炉100。通过在连续炉100中导入氧，将加热区段内控制为氧浓度超过20摩尔％的高氧气氛。由此得到的氧化铝烧结体12通过磨削工序(c)被磨削成规定形状，成为火花塞用绝缘子1。以下，说明各工序的详细情况。

成形工序(a)是将包含平均粒径为2μm～5μm的氧化铝原料粉末和成形助剂的成形原料制成氧化铝成形体11的工序。对于成为成形原料的氧化铝原料粉末，优选使用除不可避免的杂质以外不包含除al以外的金属元素的高纯度氧化铝。对于成形助剂，可以使用公知的有机粘合剂。此外，在成形原料中通常不添加烧结助剂。在成形工序(a)中，可以使用公知的加压成形装置。例如，通过在形成于一对模之间的筒状空间中填充成形原料并进行加压来进行成形。

烧结工序(b)是将所得到的氧化铝成形体11进行烧结而制成成为火花塞用绝缘子1的氧化铝烧结体12的工序。氧化铝成形体11如图1中所示的那样，在被容纳于载置在搬送路径201上的容器202中的状态下，被搬运至隧道炉结构的连续炉100内。氧化铝成形体11在通过连续炉100内的加热区段的期间成为氧化铝烧结体12。在连续炉100中，设置有用于将加热区段加热至700～1600℃的加热机构。加热机构可以任意选择，但适宜使用不消耗加热区段的氧的加热机构、例如电式加热装置。电式加热装置除了可以使用电加热器等电阻加热方式的装置以外，还可以使用感应加热方式的装置。只要能够将加热区段内保持在规定的高氧浓度，则也可以使用气体燃烧器式加热装置。

磨削工序(c)是将氧化铝烧结体12进行磨削而制成制品形状的工序。在磨削工序(c)中，可以使用公知的磨削装置。例如，通过使与制品形状对应的磨削工具与氧化铝烧结体12的外周面抵接，被磨削加工成火花塞用绝缘子1。

图2表示汽车用发动机中适用的火花塞p的构成例。如图2中所示的那样，火花塞p具有火花塞用绝缘子1、金属壳2、端子零件3及中心电极4和接地电极5。火花塞用绝缘子1为筒状。金属壳2为筒状，保持火花塞用绝缘子1的外周。端子零件3及中心电极4被保持在火花塞用绝缘子1的内侧。接地电极5被固定在金属壳2上。以中心电极4的轴向上的图2中所示的电阻器6侧的中心电极4的端作为基端。在中心电极4的轴向上，以与中心电极4的基端相对的端作为前端。中心电极4的前端突出至火花塞用绝缘子1的筒外。中心电极4的前端与弯曲成l字状的接地电极5的前端具有间隙g并相对。在端子零件3与中心电极4之间，介由包含铜和玻璃的玻璃密封部7配设有混合了碳的以玻璃作为主要成分的电阻器6。在形成于金属壳2的外周的安装螺纹部22的前端侧，在与火花塞用绝缘子1的外周段部之间夹设有金属填料21。将金属壳2的端子零件3侧的火花塞用绝缘子1所接触的部位介由金属环23敛缝并固定在火花塞用绝缘子1的外周段部。由此，金属壳2与火花塞用绝缘子1间被气密密封。

图3是连续炉100的烧结构成例，具备炉本体和搬入·搬出用的开口部。炉本体呈沿图3的左右方向延伸的隧道状。搬入·搬出用的开口部在炉本体的长度方向上，按照彼此相对的方式与炉本体的两端连结。在连续炉100的内部，用于搬送许多容器202的搬送路径201沿连续炉100的长度方向形成。搬送路径201例如为由在搬送方向(即连续炉100的长度方向)上以一定间隔设置的许多搬送辊构成的辊式传送带。具体而言，各搬送辊能够旋转，且在旋转方向上气密地设置于一直线上。在搬送方向上搬送路径201将连续炉100的相对的2个侧壁贯通。通过未图示的驱动机构使各搬送辊向同一方向旋转，从而将许多容器202进行搬送。

容器202可以制成使成为火花塞用绝缘子1的氧化铝成形体11排列且能容纳规定数的耐热性托盘。此外，容器202也可以制成该耐热性托盘的层叠体等。炉本体具有入口部203和出口部204。入口部203被设置于炉本体的一端侧，与搬送的流向相对。出口部204按照在搬送方向上与入口部203相对的方式，被设置于炉本体的端部。容器202从入口部203朝向出口部204在搬送路径201上沿搬送方向被移动。从出口部204出来的容器202通过未图示的移送机构，向下一工序移送。

连续炉100被划分成用于使烧结工序以良好的控制性进行的多个区域。炉本体的内部按靠近入口部203的顺序划分为加热区段z1、冷却区段z2。在炉本体的搬送方向上的两端侧具备入口部203和出口部204作为吹除区段z3。加热区段z1按靠近入口部203的顺序依次配置有升温加热室205、均温加热室206。冷却区段z2具备冷却室207。

氧化铝成形体11在升温加热室205中被预加热。在均温加热室中，氧化铝成形体11被保持在规定的烧结温度以上。在加热区段z1中，设置有电式加热机构。例如，在升温加热室205内的上表面和底面配置多个电加热器401，对被搬入升温加热室205内的容器202进行加热。在均温加热室206内，配置有从均温加热室206的上表面朝向搬送路径201突出的多个热电偶402。此外，在均温加热室206内配置有未图示的电加热器。控制部400使用热电偶402的检测结果，控制对电加热器401的通电。此时，使升温加热室205、均温加热室206内成为所期望的温度分布。

在加热区段z1、冷却区段z2上，分别连接有氧导入路径500及排气路径600。并且，在加热区段z1及冷却区段z2的内部由氧导入路径500导入氧气而能够将连续炉100内控制为规定的氧浓度。在吹除区段z3上，连接有氧导入路径500及排气路径600和氮导入路径700。氧导入路径500、氮导入路径700分别与成为氧源的氧气瓶501、成为氮源的氮气瓶701连接。控制部400对设置于氧导入路径500、氮导入路径700上的未图示的控制阀进行开闭控制。由此，控制氧气或氮气向加热区段z1、冷却区段z2、吹除区段z3中的导入量。

入口部203相当于搬送方向上的位于加热区段z1的上游端部的吹除区段z3。出口部204相当于搬送方向上的位于冷却区段z2的下游端部的吹除区段z3。使作为不活泼气体的氮气喷出到入口部203和出口部204内并充满。由此，将外部空气向炉本体内的流入阻断而容易进行烧结气氛的控制。在入口部203内的入口部203的上表面，按靠近搬送方向上的炉本体的上游端的顺序，设置氮导入口702、排气口601、氧导入口502。氮导入口702是与氮导入路径700相通的用于导入氮气的孔。排气口601是用于将入口部203的内部的气氛气体排出的与排气路径600相通的孔。氧导入口502是用于导入氧气的与氧导入路径500相通的孔。在出口部204内的出口部204的上表面，按靠近入口部203的顺序，设置氧导入口505、排气口604、氮导入口703。氧导入口505是与氧导入路径500相通的用于导入氧气的孔。排气口604是用于将出口部204的内部的气氛气体排出的与排气路径600相通的孔。氮导入口703是用于导入氮气的与氮导入路径700相通的孔。

由此，将位于吹除区段z3中的入口部203内的气氛气体通过从氮导入口702出来的氮气进行吹除。同样地，将出口部204内的气氛气体通过从氮导入口703出来的氮气进行吹除。被氮气赶出的气氛气体从位于氮导入口702与氧导入口502之间的排气口601、位于氮导入口703与氧导入口505之间的排气口604分别被排出。由此，不会受到外部空气的影响，可以通过从氧导入口502、505出来的氧的导入量来控制吹除区段z3内的氧浓度。

在加热区段z1中，在升温加热室205内的升温加热室205的中间部的上表面，按照靠近入口部203的顺序，设置排气口602、氧导入口503。排气口602是与排气路径600相通、用于排出升温加热室205内的气氛气体的孔。氧导入口503是与氧导入路径500相通、用于导入氧气的孔。由于在加热区段z1中有电式加热装置，所以氧不会作为燃烧用途被消耗。由此，由于在加热区段z1中氧浓度不会变稀，所以在均温加热室206中，氧导入变得不需要。由此，炉本体的装置构成变得简易，并且烧结温度或气氛控制变得容易。

在冷却区段z2中，在冷却室207内的靠近冷却室207的出口部204的中间部的上表面，按靠近入口部203的顺序，设置氧导入口504、排气口603。氧导入口504是与氧导入路径500相通的孔。排气口603是与排气路径600相通的孔。在位于冷却区段z2内的氧导入口504与排气口603间产生氧的流动。由于产生了氧的流动的区间位于远离加热区段z1的位置，所以加热区段z1内的温度不会降低。此外，由于在冷却区段z2内有氧导入口504，所以能够进行连续炉100内气氛的调整。由此，能够将包含加热区段z1的连续炉100内控制在所期望的氧浓度。此外，对在冷却室207的加热区段z1侧自然空冷的容器202，在产生了氧的流动的区间中吹送氧气。通过这样操作，能够促进容器202的冷却。冷却区段z2的全长按照被加热的容器202在出口部204中几乎恢复至常温的方式，根据烧结温度或搬送速度等而适当设定。

分别设置于加热区段z1、冷却区段z2中的排气口602、603作为排气机构构成。此外，分别设置于加热区段z1、冷却区段z2中的氧导入口503、504作为氧导入机构构成。

在上述构成的连续炉100中，通过控制部400以规定的搬送速度驱动搬送路径201。处于位于被驱动的搬送路径201上的容器202中的氧化铝成形体11从入口部203被搬入加热区段z1中。在加热区段z1中，在氧化铝成形体11通过升温加热室205的期间，使氧化铝成形体11被加热至作为氧化铝成形体11的原料的有机粘合剂的燃烧温度以上(例如700℃以上)。然后使有机粘合剂被燃烧除去，并且升温至规定的烧结温度。接着，在均温加热室206中，在一定的烧结温度下保持一定时间，由氧化铝成形体11变化成氧化铝烧结体12。烧结温度设定为氧化铝烧结体12的烧结温度以上，通常在1200℃～1600℃的范围内适当设定。

控制部400基于预先设定的烧结曲线，控制加热区段z1内的温度，并且调整所期望的高氧浓度。为了使氧化铝烧结体12的耐电压特性提高，加热区段z1内的氧浓度设定为至少超过20摩尔％的浓度。适宜为充分高于大气中的氧浓度(例如约21摩尔％)的浓度较佳。例如，按照加热区段z1内的氧浓度成为40摩尔％～100摩尔％的方式调整烧结气氛。通过这样操作，残存于氧化铝烧结体12的粒子间的气氛气体减少，氧化铝的烧结得到促进，与以往相比能够达成高的烧结密度。

适宜将加热区段z1内的气氛压设定为大气压以上，例如按照氧分压成为0.04mpa～1mpa的范围的方式进行调整。加热区段z1内的氧分压为0.04mpa～0.1mpa时，加热区段z1内的氧浓度成为40摩尔％～100摩尔％。由此，能够实现高氧浓度下的烧结。进而，通过使向连续炉100中的氧导入量增加，可以使加热区段z1内的气氛压比大气压高。适宜氧分压为0.06mpa以上较佳，氧分压越变高则越可得到致密的烧结体。

因此，连续炉100不仅将氧导入路径500与加热区段z1连接，而且还与冷却区段z2及吹除区段z3连接。并且，制成从多个氧导入口502、503、504、505导入氧的构成。此外，从多个排气口601、602、603、604向连续炉100外排出气氛气体而能够进行连续炉100内的气氛压的调整。此时，从氧导入路径500向多个氧导入口502、503、504、505的氧流量越增加，则均温加热室206内的氧分压越变高。

控制部400使用例如设置于排气路径600上的氧浓度传感器的检测结果，按照连续炉100内成为所期望的氧浓度的方式，调整向连续炉100内的氧流量。此外，控制部400调整氧从氧导入路径500的导入量和气氛气体向排气路径600的排气量，能够将连续炉100内的气氛压维持在高于大气压。由此，能够将均温加热室206的氧分压提高至0.1mpa以上。

该情况下，适宜将连续炉100的炉本体制成耐压结构。进而，若制成在入口部203、出口部204与炉本体之间设置耐压门的结构，则能够进一步提高连续炉100内的压力。此时，能够在0.1mpa～1mpa的范围内调整连续炉100内的氧分压。

如上所述，根据本方式的制造方法，通过将烧结工序(b)中的连续炉100内的气氛控制在规定的高氧浓度，可得到耐电压特性高的氧化铝烧结体12。因此，为了使烧结进行，不需要添加烧结助剂、或者进行长时间的烧结，火花塞用绝缘子的生产率提高。

具体而言，使用在连续炉100的加热区段z1中的加热中不消耗氧的电加热器401等。在加热区段z1中设置有氧导入口503和排气口602。在冷却区段z2中设置有氧导入口504和排气口603。通过氧导入口503、504调整氧的导入量，通过排气口602、603排出连续炉100内的气氛。由此，能够将连续炉100内控制在所期望的高氧气氛。进而，在加热区段z1的上游端部设置吹除区段z3。此外，在搬送方向上的冷却区段z2的下游端部也设置吹除区段z3。通过将吹除区段z3内预先进行氮置换，从而将吹除区段z3内的气氛气体赶出。在赶出气氛气体后向吹除区段z3内导入氧，能够制度良好地控制氧浓度。由此，以通过连续炉100得到的氧化铝烧结体12作为基材，可以制造高耐电压的火花塞用绝缘子1。

(试验例)

接着，调查将氧化铝烧结体12的烧结工序(b)中的氧浓度如图4那样变更时的对耐电压特性的影响。

首先，作为成形工序(a)，制作氧化铝成形体11。作为成形原料，使用平均粒径为2μm～5μm、纯度为99.48％～99.8％的高纯度氧化铝(al2o3)粉末作为原料粉末。在添加了适量的有机粘合剂作为成形助剂的成形原料中，添加水而制成浆料状。将该浆料干燥，造粒。其后，通过进行加压成形，得到绝缘子形状的氧化铝成形体11。

接着，在烧结工序(b)中，使所得到的氧化铝成形体11在连续炉100内的调整了气氛的试验用的烧结炉中烧结。将所烧结的氧化铝成形体11作为氧化铝烧结体12。烧结炉中的升温速度设定为2000℃/小时，烧结温度设定为1570℃，烧结时间设定为15分钟。通过调整向烧结炉内的氧流量，将连续炉100内的氧浓度设定为0、10、20、40、60、80、100摩尔％(大气压下的氧分压为0、0.01、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1mpa)。在各氧浓度下，通过连续炉100制作成为耐电压测定用样品(以下，称为样品)的多个氧化铝烧结体12(即，样品数n＝5)。

使用公知的耐电压测定装置，测定所得到的氧化铝烧结体12的耐电压。耐电压测定如以下那样进行。在图1中所示那样的呈火花塞用绝缘子1的形状的氧化铝烧结体12的筒内，插入有耐电压测定装置的内部电极。在氧化铝烧结体12的筒外周，嵌入圆形环状的外部电极。按照内部电极与外部电极间的最短距离在各样品中变得相同的方式配置内部电极和外部电极。在内部电极与外部电极之间，由恒电压电源施加通过振荡器和线圈产生的高电压。边通过示波器监视，边以一定的比例阶段性地使施加电压上升。将氧化铝烧结体12绝缘击穿时的施加电压设定为样品的耐电压(单位：kv/mm)。

图4中将测定各样品的耐电压的结果以横轴作为氧浓度、以纵轴作为耐电压而示出。如图4中所示的那样，随着氧浓度的上升而耐电压上升。若氧浓度超过20摩尔％(与大气中的氧浓度大致同等)，则耐电压成为18kv/mm以上，得到良好的结果。此外，氧浓度为40摩尔％以上时，耐电压至少成为20kv/mm左右或其以上。由此确认，通过在被调整为高氧浓度的气氛下使氧化铝成形体11烧结，样品的耐电压特性提高。

图5是表示氧化铝烧结体12在烧结炉中的烧结时间与烧结密度的关系的图。将导入烧结炉中的氧流量设定为2.5l/分钟(即，氧浓度为100摩尔％；氧分压为0.1mpa)，烧结时间在1～60分钟的范围内变更。此外，作为比较，在烧结炉中导入大气(即，大气的导入量为2.5l/分钟)，将所得到的氧化铝烧结体12的烧结密度示于图5中。将大气导入烧结炉中时的氧化铝烧结体12的烧结时间相同地在1～60分钟的范围内变更。如图5中所示的那样，随着烧结时间的增加而烧结密度变高。相对于15分钟以上的烧结时间、且大气中的烧结，通过高氧气氛下的烧结得到的氧化铝烧结体12的烧结密度明显地更加提高。

接着，将导入烧结炉中的氧流量在0.5～5l/分钟的范围内变更，调查与试验例同样地操作而得到的氧化铝烧结体12的烧结密度。如图6中所示的那样，随着氧流量的增加而烧结密度变高。氧流量为2.5l/分钟时(即，氧浓度为100摩尔％；氧分压为0.1mpa)，烧结密度为约3.65kv/mm。若使氧流量进一步增加，则伴随于此烧结密度上升，氧流量为5l/分钟时，烧结密度为约3.67kv/mm。获知随着氧流量的增加，烧结炉内的压力上升而氧分压变得更高，从而氧化铝烧结体12的烧结性提高。

本发明并不限定于上述实施方式，在不超出本发明的主旨的范围内可以进行各种变更。例如，上述实施方式1中使用的连续炉100并不限定于图3中所示的构成，只要是能够实现本发明的制造方法的构成即可。此时，代替将搬送路径201制成辊式传送带，也可以作为带式传送带而构成、或者使用台车式的搬送机构。用于将加热区段z1加热的机构不限于电加热器401，只要是不消耗氧的电式加热机构，则可以使用任一种。此外，电加热器401的配置、氧导入路径500、排气路径600、氮导入路径700的连接位置等可以适当变更。

符号的说明

1火花塞用绝缘子

11氧化铝成形体

12氧化铝烧结体

100连续炉

401电加热器(加热机构)

502、503、504、505氧导入口(氧导入机构)

601、602、603、604排气口(排气机构)

z1加热区段

z2冷却区段

z3吹除区段